TWI559339B - 釹鐵硼磁石及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種磁石之製造方法,且特別是有關於一種釹鐵硼磁石之製造方法。
在現有磁石材料中,釹鐵硼磁石具有最高磁能積,且對應用的產品有節能、輕/小量化的效果,近年來被廣泛地應用在機電用馬達、硬碟音圈馬達、醫用核磁共振造影(MRI)、3C電子產品、節能家電、電動車和風力發電等。
釹鐵硼磁石在大氣環境中極易氧化、腐蝕及粉化,磁石表面需先經表面鍍膜處理。其次,釹鐵硼磁石的居禮溫度低、不耐高溫,在70℃以上即會發生退磁。因此在合金原料熔煉製備時,需加入1重量百分比至25重量百分比之鏑(Dy)及/或0.5重量百分比至13.5重量百分比之鋱(Tb)等重稀土元素,取代釹鐵硼磁石中部分的釹元素,藉此增加各異向性磁場,而提高矯頑磁力(iHc)。所添加的重稀土含量越多,雖可提高矯頑磁力,但會犧牲部分殘留磁束密度(Br)及最大磁能積((BH)max)。
基於近年來地球資源有限、環保意識抬頭以及中國稀土元素出口管制措施等限制,使得生產釹鐵硼磁石所
需之稀土元素(如釹、鐠、鏑、鋱等)價格高漲。綜上所述,如何降低如鏑或鋱等重稀土元素之含量,但維持釹鐵硼磁石的矯頑磁力,且抑制殘留磁束密度及最大磁能積降低,成為十分重要的議題。
一般而言,習知釹鐵硼磁石的製造方法是將合金鑄料進行熔煉、粗粉碎處理、細粉碎處理、磁場配向成形、燒結處理、時效處理及表面鍍層處理,以製得釹鐵硼磁石。而鏑或鋱等重稀土元素,則可在前述製程的不同階段,添加至合金鑄料中。
申言之,上述方式之一是在熔煉合金鑄料階段,將重稀土元素熔煉至合金鑄料中。此種方法步驟少、操作簡單,但因無法控制重稀土元素位於釹鐵硼磁石之晶界處或晶相中,因此需添加較多的重稀土元素,從而大幅降低釹鐵硼磁石之殘留磁束密度以及最大磁能積。
另一種方法則是將細粉碎處理後之合金鑄料加入偶聯劑及含重稀土元素之有機混合物,利用偶聯劑使含重稀土元素之有機混合物附著於合金鑄料後,再進行加壓成形、燒結等後續步驟。此法的製程步驟較簡易,然需額外添加偶聯劑幫助附著。
此外,目前發展出一種晶界擴散法,此法主要是在釹鐵硼磁石燒結後,將含鏑或鋱等重稀土元素的物質,以濺鍍、蒸鍍、氟化物或氧化物粉末溶液沾覆等方式,附著於已燒結的釹鐵硼磁石表面,然後加熱進行晶界擴散處理,使磁石表面的鏑或鋱可集中在晶界處,沿晶界擴散至磁石內
部,藉此有效增加矯頑磁力,同時亦大幅抑制殘留磁束密度及最大磁能積的下降。
然而,晶界擴散法仍有下述缺點。由於晶界擴散法需使重稀土元素由表面沿晶界擴散,其擴散距離有限,因此僅能製得厚度小於3-5mm之磁石。其次,晶界擴散法需先將燒結、熱處理後的磁石經切割、加工、清洗、加熱進行晶界擴散處理及研磨等處理後,才可進行表面鍍層處理,步驟十分繁複。再者,倘若利用沾覆的方式將含重稀土元素的物質附著於已燒結的釹鐵硼磁石表面,再進行晶界擴散法,不易控制重稀土元素的膜厚且易剝落;若利用濺鍍或蒸鍍的方式將含重稀土元素的物質附著於已燒結的釹鐵硼磁石表面,再進行晶界擴散法,重稀土元素雖可均勻附著,但製程成本較高。
有鑑於此,亟需提出一種簡化製程且降低成本的釹鐵硼磁石及其製造方法,在降低重稀土元素之使用量的同時,仍維持良好矯頑磁力,且可抑制殘留磁束密度以及最大磁能積大幅下降,進而改進習知之釹鐵硼磁石之製造方法的缺陷。
因此,本發明之一態樣是在提供一種釹鐵硼磁石之製造方法,其係利用合金鑄料經粗粉碎處理後製得之合金粗粉末,與重稀土元素脂肪酸鹽經混合步驟及細粉碎處
理,而製得釹鐵硼磁石,以降低重稀土元素之使用量、簡化製程。
本發明之另一態樣是在提供一種釹鐵硼磁石,
其係利用上述之製造方法而製成,其中前述的釹鐵硼磁石仍維持良好矯頑磁力、降低成本並抑制殘留磁束密度及最大磁能積大幅下降。
根據本發明之上述態樣,提出一種釹鐵硼磁石
之製造方法。在一實施例中,此製造方法先提供合金鑄料,其中此合金鑄料中可包含10原子百分比(at.%)至16at.%之輕稀土元素、3at.%至9at.%之硼、75at.%至85at.%之鐵及小於或等於2at.%之摻質元素。其中,上述之輕稀土元素可包含釹或鐠等,而上述之摻質元素可包含但不限於鈷、鋁、銅、鎵、鈮或鋯等。
接著,對合金鑄料進行粗粉碎處理,以得合金
粗粉末。然後,將合金粗粉末與重稀土元素脂肪酸鹽進行混合步驟達第一時間,以獲得混合粗粉末。其中,上述之重稀土元素脂肪酸鹽中之重稀土元素可為鏑或鋱,並且此重稀土元素脂肪酸鹽之含量為0.5重量百分比至5重量百分比。
再來,將混合粗粉末進行細粉碎處理,以獲得
混合細粉末。接下來,對此混合細粉末進行加壓成形處理,以獲得胚體。後續利用上述步驟所得之胚體進行燒結處理,並製得燒結體。之後,對此燒結體進行時效處理,以製得釹鐵硼磁石。所得之釹鐵硼磁石的重稀土元素含量為大於0重量百分比且小於2重量百分比。
依據本發明之一實施例,上述之合金鑄料為合金薄片,其厚度可為0.1mm至1mm。
依據本發明之另一實施例,上述之合金粗粉末的平均粒徑可小於500μm。
依據本發明之一實施例,上述之重稀土元素脂肪酸鹽之碳數可為16至20。
依據本發明之一實施例,上述之第一時間可為30分鐘至90分鐘。
依據本發明之一實施例,上述之混合細粉末之粒徑可為1μm至5μm。在一例示中,此混合細粉末之粒徑可例如為1.5μm至3μm。
依據本發明之再一實施例中,上述之加壓成形處理係於至少10kOe之磁場以及50MPa至250MPa之壓力下進行。在其他實施例中,上述之燒結處理係於900℃至1100℃之溫度下進行1小時至10小時。而上述之時效處理係於500℃至600℃之溫度下進行1小時至5小時。
根據本發明之另一態樣,提出一種釹鐵硼磁石,其中此釹鐵硼磁石之重稀土元素的含量為大於0重量百分比且小於2重量百分比,且此釹鐵硼磁石矯頑磁力大於15kOe、殘留磁束密度大於13kGs以及最大磁能積大於48MGOe。
應用本發明之釹鐵硼磁石及其製造方法,其係直接添加重稀土元素脂肪酸鹽至合金粗粉末中,克服重稀土元素使用量過高、易氧化及質地過軟的問題。而且,所製得
之釹鐵硼磁石的矯頑磁力大幅提升,但降低殘留磁束密度及最大磁能積之相對下降幅度。
100‧‧‧方法
110‧‧‧提供合金鑄料
120‧‧‧對合金鑄料進行粗粉碎處理,以獲得合金粗粉末
130‧‧‧進行混合步驟,使合金粗粉末與重稀土元素脂肪酸鹽混合達第一時間,以獲得混合粗粉末
140‧‧‧對混合粗粉末進行細粉碎處理,以獲得混合細粉末
150‧‧‧對混合細粉末進行加壓成形處理,以獲得胚體
160‧‧‧對胚體進行燒結處理,以獲得燒結體
170‧‧‧對燒結體進行時效處理,以獲得釹鐵硼磁石
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之詳細說明如下:圖1係繪示依照本發明之一實施例之釹鐵膨磁石之製造方法之部份流程圖。
本發明提供一種釹鐵硼磁石之製造方法,其係利用合金鑄料經粗粉碎處理後製得之合金粗粉末,與重稀土元素脂肪酸鹽經混合步驟及細粉碎處理等步驟,以製得釹鐵硼磁石。
本發明此處所稱之合金鑄料可含有10原子百分比(at.%)至16at.%之輕稀土元素、3at.%至9at.%之硼、75at.%至85at.%之鐵及小於或等於2at.%之摻質元素。其中,上述之輕稀土元素可包含釹或鐠等,而上述之摻質元素可包含但不限於鈷、鋁、銅、鎵、鈮或鋯等。
若上述之輕稀土元素少於10原子百分比(at.%),會降低細粉碎步驟的效率,且影響磁場配向步驟。若上述之輕稀土元素多於16at.%時,因輕稀土元素易氧化,而降低所製得之磁石之性能。若上述之硼少於3at.%時,所製得之磁石的矯頑磁力不佳。若上述之硼多於9at.%
時,則會降低磁石之殘留磁束密度及最大磁能積。另外,若摻質元素多於2at.%,則使磁石之性能下降。
本發明此處所稱之粗粉碎處理可使用任何習知
的粉碎設備或粉碎方式,使合金鑄料粉碎成合金粗粉末,本發明不限於此處所舉。在一例示中,前述粉碎設備可例如搗碎機、顎形破碎機、盤式磨碎機或其他具有相同功能的設備等。在另一例示中,前述粉碎方式可包括物理破碎法,例如氫碎法。在使用氫碎法的例子中,合金鑄料在吸收氫氣後,產生合金膨脹使合金鑄料造成物理性的破碎,以製得合金粗粉末。
本發明此處所稱之混合步驟,可使用任何習知
的混合設備。在一例示中,上述之混合設備可例如V型、雙錐型混合機、滾筒型混合機或其他具有相同功能的混合設備,以製得混合粗粉末。
本發明此處所稱之細粉碎步驟可使用任何習知
的細粉碎方式。在一例示中,上述之細粉碎方式可例如球磨、振動研磨或其他具有相同功能的方式等,本發明不限於此處所舉。在另一例示中,前述細粉碎方式為氣流磨。在使用氣流磨的例子中,混合粗粉末被惰性氣體高速噴射,進行相互碰撞、粉碎,並進一步使重稀土元素脂肪酸鹽均勻披覆在合金粗粉末上,以製得混合細粉末。
本發明此處所稱之重稀土元素脂肪酸鹽之脂肪
酸基的碳數可為16至20,且此重稀土元素脂肪酸鹽中的重稀土元素可為鏑或鋱。本發明之技術特徵之一在於重稀土元
素脂肪酸鹽之含量遠低於習知使用量,一般為0.5重量百分比至5重量百分比。
若上述之重稀土元素以重稀土元素脂肪酸鹽以
外的形式加入,例如以重稀土元素與脂肪酸鹽分開的形式加入,則因重稀土元素易氧化且質地過軟等問題,而無法在下述之細粉碎處理中得到粒徑較細之混合細粉末。因此需利用脂肪酸基之碳數介於16至20間的重稀土元素脂肪酸鹽保護重稀土元素並降低粒徑。
此外,上述之重稀土元素脂肪酸鹽之含量若小
於0.5重量百分比,則對所製成之釹鐵硼磁石的矯頑磁力貢獻不大。若上述之重稀土元素脂肪酸鹽的含量大於5重量百分比,則會提高製程成本,且使所製得之釹鐵硼磁石的殘留磁束密度及最大磁能積大幅降低。
請參照圖1,其係繪示依照本發明之一實施例之
釹鐵硼磁石之製造方法之流程圖。在一實施例中,如步驟110所示,此方法100先提供一種合金鑄料,其中此合金鑄料悉如前述,故不另贅言。
在此補充的是,此合金鑄料可為由習知熔煉、
鑄造法製成的合金鑄塊,更佳可為利用輥輪旋轉急速凝固法所製得之合金薄片。此合金薄片之厚度可為0.1mm至1mm。
接著,如步驟120所示,將合金鑄料進行粗粉
碎處理,以製得合金粗粉末。在一實施例中,上述之合金粗粉末具有小於500μm的平均粒徑。
然後,如步驟130所示,將合金粗粉末與重稀
土元素脂肪酸鹽進行混合步驟達第一時間,以製得混合粗粉末。在一實施例中,此第一時間可為30分鐘至90分鐘。而此處所述之重稀土元素脂肪酸鹽與混合步驟之詳細內容悉如前述,故不另贅言。
另外一提的是,利用上述之混合步驟將重稀土
元素加入合金粗粉末中,可使重稀土元素位於晶界處而非晶相中,因此可有效提升矯頑磁力,但抑制最大磁能積及殘留磁束密度之大幅降低。
接下來,如步驟140所示,將混合粗粉末進行
細粉碎處理,以製得混合細粉末。在一實施例中,上述之混合細粉末可具有介於1μm至5μm之平均粒徑,然以1.5μm至3μm為較佳。而此處之細粉碎處理已於前段落詳加描述,此不另贅言。
若上述之混合細粉末之平均粒徑大於5μm,則
能接觸到重稀土元素脂肪酸鹽的表面積降低,而使所製成之重稀土元素含量降低。若上述之混合細粉末之平均粒徑小於1μm,所得之燒結體會有配向度降低以及殘留磁束密度減少的問題,進而增加後續處理之困難度。
後續進行步驟150所示之加壓成形處理,以製
得胚體。在一實施例中,此加壓成形處理可於至少10kOe之磁場以及50MPa至250MPa之壓力下進行,然上述之磁場以15kOe以上為較佳。
再來,如步驟160所示,進行燒結處理,以製
得燒結體。在一實施例中,此燒結處理可於900℃至1100℃之溫度下進行1小時至10小時。
之後,將燒結體進行時效處理(步驟170),以得
釹鐵硼磁石。在一實施例中,此時效處理可於500℃至600℃之溫度下進行1小時至5小時。
在此說明的是,本發明之釹鐵硼磁石的製造方
法僅需在粗粉碎處理後添加重稀土元素脂肪酸鹽,經混合步驟及細粉碎處理後,即可進行加壓成形處理等步驟。因此,在細粉碎處理後,不需額外添加偶聯劑及重稀土元素有機物並經混合步驟後,才進行後續之步驟。由本發明之製造方法製得之磁石可具有任意厚度,端視實際需求而定。
本發明所得之釹鐵硼磁石之重稀土元素的含量
為大於0重量百分比且小於2重量百分比,且此釹鐵硼磁石具有大於15kOe之矯頑磁力、大於13kGs之殘留磁束密度以及大於48MGOe之最大磁能積。
上述之釹鐵硼磁石可應用於機電用馬達、硬碟音圈馬達、醫用核磁共振造影(MRI)、3C電子產品、節能家電、電動車和風力發電等,以達到節能及輕量化的效果。
以下利用實施例以說明本發明之應用,然其並非用以限定本發明,於本領域具有通常知識者,在不脫離本發明之精神與範圍內,當可作各種更動與潤飾。
首先,提供合金鑄料,此合金鑄料係由純度大於99%之釹、鈷、銅、鐵金屬及硼鐵合金,經由輥輪急速冷凝固法所製成之合金薄片。其中,上述之合金鑄料之組成為13.8原子百分比(at.%)的釹、6.0at.%的硼、1.1at.%的鈷、0.5at.%的鋁及0.2at.%的銅以及78.4at.%的鐵。接著,對合金鑄料進行粗粉碎處理,此粗粉碎處理包括將合金鑄料放入壓力為1.9kg/cm2之氫氣環境下進行氫化及粉碎,再抽真空並加熱至550℃以脫除部份氫氣,即可獲得小於500μm的合金粗粉末。隨後,在合金粗粉末中添加3重量百分比的硬脂酸鏑,並在氮氣氣氛保護下,以滾筒型混合機進行40分鐘的混合步驟,製得混合粗粉末。再來,在氮氣氣氛下,於氣流磨設備中對混合粗粉末進行細粉碎處理,以獲得平均粒徑2μm之混合細粉末。接下來,在15kOe的磁場與120MPa的壓力下,對混合細粉末進行加壓成形處理,以獲得胚體。然後,對胚體進行真空燒結處理,此燒結處理之溫度為1010℃,且持溫時間為4小時,以獲得直徑為20mm、厚度為11mm的燒結體。之後,將燒結體於氬氣氣氛下,進行溫度為500℃、持溫2小時之時效處理,之後加工獲得直徑為20mm、厚度為5mm的釹鐵硼磁石。
利用上述方法製得之釹鐵硼磁石以下列方式評價其重稀土含量、殘留磁束密度(Br)、矯頑磁力(iHc)及最大磁能積(BH)max。
實施例2至3與比較例1至2係使用與實施例1相同之方法來製備釹鐵硼磁石,不同的是,實施例2至3與比較例1至2係改變重稀土元素之含量或種類。而比較例3與4係利用比較例1之釹鐵硼磁石,經由習知之晶界擴散法,以加入重稀土元素。上述之實施例與比較例之含量、製程條件及評價結果如表1所示,此處不另贅述。
補充說明的是,上述之晶界擴散法係將比較例1的磁石經過鹼溶液、酸溶液及清水等清洗並乾燥後,再將磁石浸泡在氟化鏑與酒精重量比1:1之含重稀土元素溶液中,以超音波振盪3分鐘後,取出磁石並乾燥。後將表面沾覆氟化鏑之磁石置於900℃的真空環境中,進行5小時的晶界擴散處理。接著,再於500℃中進行2小時的時效處理。最後,將含重稀土元素之磁石的表面加工、研磨,以去除剩餘的氟化鏑,而製得直徑為20mm、厚度為5mm或10mm之釹鐵硼磁石。
本發明之重稀土含量係由製程中之重稀土元素之添加量計算出磁石內部所含之重稀土元素含量。比較例3與4的重稀土元素含量係指配製上述含重稀土元素溶液的重稀土元素總使用量,而非磁石內部所含之重稀土元素含量。此重稀土元素之含量或使用量越少越好。
本發明之殘留磁束密度係以未添加重稀土元素之比較例1之殘留磁束密度做為參考值,評估實施例1至3與比較例2至4的釹鐵硼磁石之殘留磁束密度的相對下降幅度。所得之殘留磁束密度的相對下降幅度越小越好。
本發明之矯頑磁力係以未添加重稀土元素之比較例1之矯頑磁力做為參考值,評估實施例1至3與比較例2至4的釹鐵硼磁石之矯頑磁力的相對上升幅度。所得之矯頑磁力的相對上升幅度越大越好。
本發明之最大磁能積係以未添加重稀土元素之比較例1之最大磁能積做為參考值,評估以習知的方法以及本發明之方法所製備的含重稀土元素的釹鐵硼磁石之最大磁能積的下降幅度。所得之最大磁能積的相對下降幅度越小越好。
根據表1之結果可知,利用本發明之釹鐵硼磁石之製造方法所得之釹鐵硼磁石,重稀土元素含量大於0重量百分比至小於2重量百分比,且維持大於15kOe之矯頑磁力、大於13kGs之殘留磁束密度以及大於48MGOe之最大磁能積。
再者,根據表1之實施例1及比較例1與2可知,實施例1所得之釹鐵硼磁石之重稀土元素使用量為0.47重量百分比,相對於未添加重稀土元素的釹鐵硼磁石(比較例
1),矯頑磁力提升了4.42kOe,但殘留磁束密度僅下降0.12kGs,而且最大磁能積僅下降0.85MGOe。然而,直接在合金鑄料中添加重稀土元素之比較例2的重稀土元素使用量多達2.41重量百分比,雖可達到與本實施例相當之矯頑磁力,但殘留磁束密度下降了0.67kGs,而最大磁能積則下降了3.88MGOe。
而根據表1之比較例3與4可知,利用習知之晶
界擴散法所製得知釹鐵硼磁石,雖在較薄(5mm)的磁石中表現與本發明之方法所製得之釹鐵硼磁石的矯頑磁力相當,並且亦可有效地抑制最大磁能積及殘留磁束密度的下降,但當厚度增加至10mm時,則無法有效提升矯頑磁力。此外,利用晶界擴散法製造釹鐵硼磁石的程序繁多,增加複雜性及製造時間。再者,由於晶界擴散法係將磁石浸泡於含重稀土元素之溶液,可推知晶界擴散法之重稀土元素使用量會大於本發明之方法。
由本發明上述之實施例可知,本發明之釹鐵硼
磁石之製造方法的優點在於,可利用簡單的步驟及少量的重稀土元素,製造具有良好矯頑磁力之釹鐵硼磁石,且可有效抑制最大磁能積及殘留磁束密度的下降。此外,本發明之方法適用於製造各種厚度之磁石。
雖然本發明已以數個實施例揭露如上,然其並
非用以限定本發明,在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更
動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧方法
110‧‧‧提供合金鑄料
120‧‧‧對合金鑄料進行粗粉碎處理,以獲得合金粗粉末
130‧‧‧進行混合步驟,使合金粗粉末與重稀土元素脂肪酸鹽混合達第一時間,以獲得混合粗粉末
140‧‧‧對混合粗粉末進行細粉碎處理,以獲得混合細粉末
150‧‧‧對混合細粉末進行加壓成形處理,以獲得胚體
160‧‧‧對胚體進行燒結處理,以獲得燒結體
170‧‧‧對燒結體進行時效處理,以獲得釹鐵硼磁石
Claims (8)
- 一種釹鐵硼磁石之製造方法,包含:提供一合金鑄料,其中該合金鑄料不含重稀土元素且包含:10原子百分比(at.%)至16at.%之輕稀土元素,其中該輕稀土元素包括釹或鐠;3at.%至9at.%之硼;75at.%至85at.%之鐵;以及小於或等於2at.%之摻質元素,其中該摻質元素包括鈷、鋁、銅、鎵、鈮或鋯;對該合金鑄料進行一粗粉碎處理,以獲得一合金粗粉末;進行一混合步驟,使該合金粗粉末與一重稀土元素脂肪酸鹽混合達一第一時間,以獲得一混合粗粉末,其中該重稀土元素脂肪酸鹽之一重稀土元素為鏑或鋱,且該重稀土元素脂肪酸鹽之一含量為0.5重量百分比至5重量百分比;對該混合粗粉末進行一細粉碎處理,以獲得一混合細粉末;對該混合細粉末進行一加壓成形處理,以獲得一胚體,其中該加壓成形處理係於至少10kOe之一磁場以及50MPa至250MPa之一壓力下進行;對該胚體進行一燒結處理,以獲得一燒結體,其中該燒結處理係於900℃至1100℃之一溫度下進行1小時至10小時;以及 對該燒結體進行一時效處理,以獲得該釹鐵硼磁石,其中該時效處理係於500℃至600℃之一溫度下進行1小時至5小時,其中該釹鐵硼磁石之該重稀土元素的一含量為大於0重量百分比且小於2重量百分比。
- 如申請專利範圍第1項所述之釹鐵硼磁石之製造方法,其中該合金鑄料為一合金薄片,且該合金薄片之一厚度為0.1mm至1mm。
- 如申請專利範圍第1項所述之釹鐵硼磁石之製造方法,其中該合金粗粉末之一平均粒徑係小於500μm。
- 如申請專利範圍第1項所述之釹鐵硼磁石之製造方法,其中該重稀土元素脂肪酸鹽之一脂肪酸基的一碳數為16至20。
- 如申請專利範圍第1項所述之釹鐵硼磁石之製造方法,其中該第一時間為30分鐘至90分鐘。
- 如申請專利範圍第1項所述之釹鐵硼磁石之製造方法,其中該混合細粉末之一平均粒徑為1μm至5μm。
- 如申請專利範圍第1項所述之釹鐵硼磁石之製造方法,其中該混合細粉末之一平均粒徑介於1.5μm至3μm。
- 一種釹鐵硼磁石,其係利用如申請專利範圍第1項至第7項任一項所述之釹鐵硼磁石之製造方法製得,其中該釹鐵硼磁石之一重稀土元素的一含量為大於0重量百分比且小於2重量百分比,且該釹鐵硼磁石具有大於15kOe之一矯頑磁力、大於13kGs之一殘留磁束密度以及大於48MGOe之一最大磁能積。
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2014
- 2014-12-12 TW TW103143508A patent/TWI559339B/zh not_active IP Right Cessation
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